DE4344185A1

DE4344185A1 - High voltage transformer and use

Info

Publication number: DE4344185A1
Application number: DE4344185A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Ing Scherb
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-06-29
Also published as: EP0660343A1; EP0660343B1; DE59403456D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungstransformator mit mindestens einer in einer Isoliermasse eingebetteten Sekundärwicklung. Ein solcher Hochspannungstransformator ist bekannt aus EP 0 105 942 B1.The invention relates to a high-voltage transformer at least one embedded in an insulating compound Secondary winding. Such a high voltage transformer is known from EP 0 105 942 B1.

Um Überschläge an Hochspannungstransformatoren zu vermeiden, werden deren Wicklungen in Isoliermassen eingegossen. Die Lebensdauer dieser Isoliermassen und damit die Funktionsfähigkeit der Hochspannungstransformatoren ist stark abhängig von der elektrischen Beanspruchung, z. B. durch Überschläge und unkontrollierte Entladungen.To avoid flashovers on high-voltage transformers, their windings are poured into insulating materials. The Lifespan of these insulating materials and thus the High voltage transformers are strong depending on the electrical load, e.g. B. by Arcing and uncontrolled discharges.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, Maßnahmen zu treffen, die die elektrische Beanspruchung dieser Isoliermassen, insbesondere in kritischen Druckbereichen, vermindern. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen Weiterbildungen bzw. vorteilhafte Verwendungen auf.The object of the present invention is therefore to take measures meet the electrical stress of this Insulating compounds, especially in critical pressure areas, Reduce. This task is carried out by the measures Claim 1 solved. The other claims show Further training or advantageous uses.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Hochspannungstransformatoren für Raumfahrtanwendungen, z. B. zur Versorgung von Wanderfeldröhren, müssen besonderen Anforderungen genügen. Um aus kleinen Spannungen, z. B. aus Solarzellen, hohe Gleichspannungen zu erzeugen, werden Schaltregler mit nachgeschalteten Hochspannungstransformatoren und Gleichrichterelementen sowie gegebenenfalls Spannungsvervielfacherstufen verwendet. Die Schaltregler werden mit relativ hohen Schaltfrequenzen - 10 kHz bis 100 kHz - betrieben, damit Induktivitäten, Kapazitäten sowie das Kernmaterial bezüglich ihres Gewichtes klein gehalten werden können. Bedingt durch die relativ hohen Schaltfrequenzen treten insbesondere im Zwischendruckbereich zwischen Atmosphärendruck und Weltraumbedingungen (Vakuum) bereits bei niedrigen Wechselspannungen (250 V bei 20 kHz Schaltfrequenz) im Paschenminimum Dauerglimmentladungen auf. Wenn in einem solchen Druckbereich von 100 h Pa bis 10-2 h Pa ein Betrieb über mehrere Stunden zugelassen sein soll, kann die Isolierung geschädigt und damit die Lebensdauer eines solchen Hochspannungstransformators verringert werden. Durch die Maßnahmen der Erfindung werden solche Glimmentladungen im kritischen Druckbereich vermieden.The invention is based on the following findings: High voltage transformers for space applications, e.g. B. for the supply of traveling wave tubes, must be special Requirements met. To from small tensions, e.g. B. from Solar cells are used to generate high DC voltages Switching regulator with downstream high-voltage transformers and rectifier elements and, if necessary Voltage multiplier stages used. The switching regulator are with relatively high switching frequencies - 10 kHz to 100 kHz - operated so that inductors, capacitors and the Core material can be kept small in terms of their weight can. Due to the relatively high switching frequencies occur in particular in the intermediate pressure range Atmospheric pressure and space conditions (vacuum) already at low AC voltages (250 V at 20 kHz switching frequency) permanent glow discharges in the Paschen minimum. If in one such a pressure range from 100 h Pa to 10-2 h Pa an operation The insulation can be approved for several hours damaged and thus the life of such High voltage transformer can be reduced. Through the Measures of the invention are such glow discharges critical pressure area avoided.

Durch die Verbindung der Schirmung des gleichspannungspotentialmäßig niedrig belasteten Anschlußendes der Sekundärwicklung mit dem gleichspannungspotentialmäßig höher belasteten Anschlußende wirkt die oberste Wickellage der Sekundärwicklung selbst als Schirmung und verhindert Glimmentladungen. Die oberste Lage liegt auf "ruhigem", d. h. hohem Gleichspannungspotential. Voraussetzung dazu ist, daß die Lagenspannung (Wechselspannung der obersten Lage) kleiner ist als der Spannungsgrenzwert, für den die Glimmentladung einsetzt (250 V bei 20 kHz). Da Glimmentladungen nur bei Wechselspannungen auftreten, wird die elektrische Belastung der Isolierung im kritischen Druckbereich minimal. Es treten dort nur sogenannte elektrodenlose Entladungen auf, die aber nicht so energiereich sind wie z. B. Glimmentladungen. Die Dicke der Verguß- bzw. Isoliermasse muß aus vorgenannten Gründen nicht größer gewählt werden als bei einem Hochspannungstransformator, ohne die Maßnahmen gemäß der Erfindung.By connecting the shielding of the DC voltage low loaded terminal end the secondary winding with the DC potential the uppermost winding layer of the Secondary winding itself as shielding and prevented Glow discharges. The top location is on "quiet", i. H. high DC potential. The prerequisite for this is that the layer tension (AC voltage of the top layer) is lower is than the voltage limit for which the glow discharge uses (250 V at 20 kHz). Because glow discharges only at AC voltages occur, the electrical load the insulation in the critical pressure area minimal. Kick it there only so-called electrodeless discharges, but the are not as energetic as e.g. B. Glow discharges. The The thickness of the potting or insulating compound must be from the aforementioned Reasons should not be chosen larger than one High voltage transformer without the measures according to the Invention.

Anhand der Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigenBased on the drawings, embodiments of the Invention explained in more detail. Show it

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Hochspannungstransformators nach der Erfindung, Fig. 1 is a sectional view of a high-voltage transformer according to the invention,

Fig. 2 die Beschaltung des Hochspannungstransformators mit Gleichrichterelementen und Fig. 2 shows the wiring of the high-voltage transformer with rectifier elements and

Fig. 3 die Zusammenschaltung von mehreren Sekundärwicklungen. Fig. 3 shows the interconnection of several secondary windings.

Den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Hochspannungstransformators nach der Erfindung zeigt Fig. 1 in einer Schnittdarstellung. Der zylindrische Transformatorkern KE ist von einer Primärwicklung w1 umgeben, die in Isoliermaterial eingebettet ist. Um diese Primärwicklung w1 ist ein metallischer Schirm S1 gelegt. Er ist mit einem Transformatorgehäuse bzw. -sockel SO leitend verbunden. Über diesem metallischen Schirm befindet sich die Hauptisolationsschicht HW, beispielsweise in Epoxydharz eingegossenes Makrolon. Die Hauptisolationsschicht ist von der oder den Sekundärwicklungen w2 umgeben. In Fig. 1 sind mehrere Sekundärwicklungen vorgesehen, die jeweils in Wicklungskammern K eines Wicklungsträgers WT untergebracht sind. Die einzelnen konzentrisch zum Kern KE angeordneten Lagenwicklungen LW der Sekundärwicklungen w2 sind mitsamt dem Wicklungsträger in die Isoliermasse IM eingebettet, bzw. mit dieser vergossen.The basic structure of an embodiment of the high voltage transformer according to the invention is shown in FIG. 1 in a sectional view. The cylindrical transformer core KE is surrounded by a primary winding w1, which is embedded in insulating material. A metallic screen S1 is placed around this primary winding w1. It is conductively connected to a transformer housing or base SO. The main insulation layer HW, for example Makrolon cast in epoxy resin, is located above this metallic screen. The main insulation layer is surrounded by the secondary winding or w2. In Fig. 1, several secondary windings are provided, which are each housed in winding chambers K of a winding support WT. The individual layer windings LW of the secondary windings w2, which are arranged concentrically to the core KE, are embedded together with the winding carrier in the insulating compound IM, or are potted therewith.

Die Stärke der Isoliermasse IM richtet sich nach der vorgegebenen Lebensdauer des Hochspannungstransformators. Sie kann aus einer Lebensdauerkurve für das Material der Isoliermasse entnommen werden.The thickness of the insulating compound IM depends on the predetermined service life of the high-voltage transformer. she can be derived from a life curve for the material of the Insulating compound can be removed.

Die Anschlußenden 1, 2 der Sekundärwicklung w2 sind aus der Isoliermasse IM herausgeführt und an Gleichrichterelemente - Dioden D1, D2 und Glättungskondensatoren C1, C2 -, die auf einer Leiterplatte LP angeordnet sind, angeschlossen. Als ein mögliches Ausführungsbeispiel sind die Gleichrichterelemente als Spannungsverdopplerstufe (Fig. 2) zusammengeschaltet. Natürlich kann die Gleichrichterschaltung auch nur aus einer Diode und einem Glättungskondensator bestehen. Gemäß der Erfindung ist jenes Anschlußende der Sekundärwicklung w2 - im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 das Anschlußende 1 -, das gleichspannungsmäßig niedrig belastet ist, geschirmt ausgebildet. Das gleichspannungsmäßig höher belastete Anschlußende - im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 das Anschlußende 2 - ist ungeschirmt ausgebildet und besteht aus einfacher Hochspannungslitze, d. h. aus einem Leiter mit dünner Isolierung, die aufgrund der Anwendung im Weltraum vakuumdicht sein sollte. Es kann alternativ ein überschrumpfter Schaltdraht verwendet werden. Die Schirmung SI des Anschlußendes 1 kann durch Verwendung einer Koaxialleitung realisiert werden. Die Schirmung SI bzw. der äußere Schirmleiter ist erfindungsgemäß mit dem gleichspannungsmäßig höher belasteten Anschlußende 2 verbunden. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die nach außen weisende oberste Wickellage der Sekundärwicklung w2 auf "ruhigem", d. h. auf hohem Gleichspannungspotential von z. B. 2 KV liegt. Die oberste Wickellage wirkt so als Schirmung und verhindert äußere Glimmentladungen, insbesondere im kritischen Druckbereich (Paschenminimum). Die Isoliermasse IM der Sekundärwicklung w2 wird elektrisch relativ gering belastet. Dadurch kann eine längere Verweilzeit im kritischen Druckbereich zugelassen werden oder bei gleicher Verweilzeit die Lebensdauer gesteigert werden. Auch wird die Störanfälligkeit reduziert. Voraussetzung hierfür ist, daß der Wechselspannungsabfall an der obersten Wickellage den Schwellwert für das Auftreten von Glimmentladungen nicht übersteigt. Bei einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 20 kHz liegt dieser Schwellwert bei 250 V.The connection ends 1 , 2 of the secondary winding w2 are led out of the insulating compound IM and connected to rectifier elements - diodes D1, D2 and smoothing capacitors C1, C2 - which are arranged on a printed circuit board LP. As a possible embodiment, the rectifier elements are connected together as a voltage doubler stage ( FIG. 2). Of course, the rectifier circuit can also consist of only one diode and one smoothing capacitor. According to the invention, that connection end of the secondary winding w2 - in the exemplary embodiment according to FIG. 2, the connection end 1 - which has a low DC voltage load is shielded. The DC voltage, which is subjected to higher DC stresses - in the exemplary embodiment according to FIG. 2, the connection end 2 - is unshielded and consists of a simple high-voltage wire, ie of a conductor with thin insulation, which should be vacuum-tight due to its use in space. Alternatively, a shrinked jumper wire can be used. The shielding SI of the connection end 1 can be realized by using a coaxial line. According to the invention, the shield SI or the outer shield conductor is connected to the connection end 2 which is subjected to a higher DC voltage. This measure ensures that the outermost top winding position of the secondary winding w2 on "quiet", ie at a high DC potential of z. B. 2 KV. The uppermost winding layer acts as a shield and prevents external glow discharges, especially in the critical pressure range (Paschen minimum). The insulating compound IM of the secondary winding w2 is subjected to a relatively low electrical load. This means that a longer dwell time in the critical pressure range can be permitted or the service life can be increased with the same dwell time. The susceptibility to faults is also reduced. The prerequisite for this is that the AC voltage drop at the uppermost winding layer does not exceed the threshold value for the occurrence of glow discharges. For an AC voltage with a frequency of 20 kHz, this threshold is 250 V.

Die Schirmung SI bzw. der Schirmleiter der Koaxialleitung 1, 1′ ist zumindest bis zur Leiterplatte LP oder einer sie umgebenden Vergußmasse VM geführt. Das Leitungsende 1′ ist mit Massepotential, z. B. dem Gehäuse oder Sockel SO des Hochspannungstransformators verbunden.The shield SI or the shield conductor of the coaxial line 1 , 1 'is at least up to the circuit board LP or a potting compound VM surrounding it. The line end 1 'is at ground potential, for. B. connected to the housing or base SO of the high-voltage transformer.

Die Herausführung des Anschlußendes 1, d. h. das Anschlußende der untersten Lagenwicklung LW1, aus der Wicklungskammer K erfolgt in einem von der übrigen Wicklungskammer K getrennten Kammerbereich KB, um ebenfalls Überschläge oder Entladungen zu vermeiden, da dieses Anschlußende gegenüber jeder Wickellage einen Potentialunterschied von beispielsweise bis zu 250 V aufweisen kann. Die Abtrennung des Kammerbereichs KB kann, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen zusätzlichen Steg auf dem Kammerträger WT realisiert werden, der am Kammergrund eine Bohrung für das Anschlußende 1 aufweist. Die Primärwicklung w1 wird z. B. über einen Schaltregler von Rechteckpulsen im Bereich von 10 bis 100 kHz mit einer Spannung von 45 V gespeist. Die gleichgerichtete Spannung an der Reihenschaltung der Kondensatoren C1, C2 beträgt je nach Übersetzungsverhältnis z. B. 4 kV. Der Endpunkt der Leitung 1, 1′ wird auf Massepotential gelegt. An den Anschlußpunkt 3 kann eine weitere Sekundärwicklung mit Gleichrichterelementen angeschlossen sein. Die Ausgangsgleichspannung kann zur Erhöhung der Gesamtspannung aufgestockt werden oder zu weiteren Hochspannungsabnehmern, z. B. zu verschiedenen Elektroden einer Wanderfeldröhre führen. In letzteren Fällen sind die Anschlußenden der verschiedenen Sekundärwicklungen w2 beispielsweise gemäß dem Schaltschema nach Fig. 3 zusammenzuschalten. Das bzw. die gleichspannungsmäßig höher belastete/n Anschlußende/n der Sekundärwicklung w2 sind ungeschirmt ausgeführt. Die Schirmung eines gleichspannungsmäßig niedrig belasteten Anschlußendes ist mit dem Koaxialkabelinnenleiter derselben oder einer nächsten Sekundärwicklung w2 verbunden. Die Koaxialleitungen müssen nur dünn isoliert werden, da die Feldstärkebelastung gemäß den Maßnahmen der Erfindung gering ist.The connection end 1 , ie the connection end of the lowest layer winding LW1, is led out of the winding chamber K in a chamber area KB which is separate from the rest of the winding chamber K, in order also to avoid flashovers or discharges, since this connection end has a potential difference of, for example, up to each winding position Can have 250 V. The separation of the chamber area KB can, as shown in Fig. 1, be realized by an additional web on the chamber support WT, which has a hole for the connection end 1 at the chamber bottom. The primary winding w1 is z. B. fed by a switching regulator of rectangular pulses in the range of 10 to 100 kHz with a voltage of 45 V. The rectified voltage at the series connection of the capacitors C1, C2 is z, depending on the transmission ratio. B. 4 kV. The end point of line 1 , 1 'is set to ground potential. A further secondary winding with rectifier elements can be connected to the connection point 3 . The DC output voltage can be increased to increase the total voltage or to other high voltage consumers, e.g. B. lead to different electrodes of a traveling wave tube. In the latter cases, the connection ends of the various secondary windings w2 must be interconnected, for example in accordance with the circuit diagram in FIG. 3. That or the higher DC voltage-loaded connection end (s) of the secondary winding w2 are unshielded. The shielding of a DC end with a low load is connected to the inner coaxial cable of the same or a next secondary winding w2. The coaxial lines only need to be thinly insulated since the field strength load is low according to the measures of the invention.

Claims

1. High-voltage transformer with at least one secondary winding (w2) embedded in an insulating compound (IM), which is connected to at least one rectifier element (D1, D2, C1, C2), with the following features:

the connection end ( 1 ) of the secondary winding (w2), which has a low DC potential, is shielded (SI),
- The shielding (SI) of the low-stress connection end ( 1 ) of the secondary winding (w2) is connected to another connection end ( 2 ) of the secondary winding (w2), which has a higher DC voltage potential.

2. High-voltage transformer according to claim 1, characterized characterized in that the rectifier elements (D1, D2, C1, C2) are arranged on a printed circuit board (LP) and that the Shielding (SI) at least up to the printed circuit board (LP) or one surrounding potting compound (VM) is guided.

3. High-voltage transformer according to one of claims 1 or 2, characterized in that the low-stress connection end ( 1 ) of the secondary winding (w2) is designed as a coaxial line.

4. High-voltage transformer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the higher-stressed connection end ( 2 ) of the secondary winding (w2) is designed as a high-voltage wire.

5. Use of the high-voltage transformer according to one of the Claims 1 to 4 in the Paschen minimum, especially during the Launch phase of a satellite.

6. Use of the high-voltage transformer according to one of the Claims 1 to 4 under space conditions.

7. Use of the high voltage transformer according to one of the Claims 1 to 4 for a particular rectangular AC voltage between 10 and 100 kHz.

8. Use of the high-voltage transformer for supply a satellite traveling wave tube.